JP2014102068A - 捕捉渦流機構を備えたターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器のヘッド端部からいずれの空気も奪うことなく、汚染物質の排出が抑えられる二次燃焼を可能にする。
【解決手段】捕捉渦流機構４１を備えたターボ機械は、燃焼生成物のための流路を画定するように形成された単体のライナ２０であって、第１の半径方向の面を画定する第１および第２の部分４０１，４０２と、第２の半径方向の面を画定する第３の部分４０３と、第１の部分と第３の部分の近位端の間にほぼ半径方向に延在する第４の部分４０４と、第２の部分と第３の部分の近位端の間にほぼ半径方向に延在する第５の部分４０５とを含む単体のライナ１２と、第３、第４および第５の部分によって部分的に仕切られた空間に燃料または燃料／空気の混合気を送るように構成された燃料噴射装置５０とを含む。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示された主題は、ターボ機械に関し、より詳細には捕捉渦流機構を備えたターボ機械に関する。

典型的なターボ機械は、入り口空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮された入り口空気が燃料と共に燃焼される燃焼器と、発電目的で燃焼生成物を受け取ることができるタービンと、トランジションピースとを含んでいる。トランジションピースは、燃焼器とタービンの間に流体式に挿入されている。

一部のケースでは、典型的なターボ機械は、軸方向に段階式の噴射または遅延希薄噴射を支持するように構成されている。このようなケースでは、燃料と空気が燃焼器またはトランジションピースの下流部分に噴射されることで、燃焼器またはトランジションピースの下流部分において二次燃焼を引き起こす。この二次燃焼は、窒素酸化物などの汚染物質の排出を抑える傾向にある。

米国特許出願公開第２０１２／０１５１９３２号明細書

本発明の一態様によると、ターボ機械が提供され、これは、燃焼生成物のための流路を画定するように形成された単体ライナであって、第１の半径方向の面を画定する第１および第２の部分と、第２の半径方向の面を画定する第３の部分と、第１の部分と第３の部分の近位端の間にほぼ半径方向に延在する第４の部分と、第２の部分と第３の部分の近位端の間にほぼ半径方向に延在する第５の部分とを含む単体のライナと、第３、第４および第５の部分によって部分的に仕切られた空間に燃料または燃料／空気の混合気を送るように構成された燃料噴射装置とを含む。

本発明の別の態様によると、ターボ機械が提供され、これは、燃焼生成物の流路を画定するように形成され、燃焼生成物の一部が流れ込む捕捉渦流機構を画定する目的で形成されている単体のライナと、捕捉渦流機構に燃料または燃料／空気の混合気を送るように構成された燃料噴射装置とを含んでいる。

本発明のさらに別の態様によると、ターボ機械が提供され、これは、燃焼が行なわれる第１の内部、および燃焼生成物が中を通る第２の内部を画定する燃焼ライナと、燃焼ライナから下流に配置された、燃焼生成物を受け入れ、その中を燃焼生成物が継続して流れる第３の内部を画定するトランジションピースとを備え、前述の燃焼器ライナおよび前述のトランジションピースの少なくとも一方が、燃焼生成物の一部が流れ込む凹部を画定するように形成され、ターボ機械はさらに、凹部に燃焼性物質を送るように構成されることで、燃焼性物質および燃焼生成物の一部がそれぞれ捕捉渦流を形成する燃料噴射装置を含む。

これらのおよび他の利点および特徴は、以下の記載を図面と併せることでより明らかになるであろう。

この主題は、本発明としてみなされ、明細書の結びにおいて請求項において特に指摘され明白に主張されている。本発明の上記のおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な記載を添付の図面と併せることで明らかである。

ターボ機械の概略図である。 図１のターボ機械の一部の拡大図である。

詳細な記載は、一例として図面を参照して本発明の実施形態を利点および特徴と併せて説明している。

図１および図２を参照すると、ターボ機械１０は、入り口空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮された入り口空気が燃料と共に燃焼される燃焼器１２と、発電目的で燃焼生成物を受け取ることができるタービン１３と、トランジションピース１４とを含んでいる。トランジションピース１４は、燃焼器１２とタービン１３の間に流体式に挿入されている。ターボ機械１０は、軸方向に段階式の噴射または遅延希薄噴射（ＬＬＩ）を支持するように構成されており、これにより燃料と空気が燃焼器１２またはトランジションピース１４の下流部分に噴射されて、二次燃焼作用を引き起こす。この二次燃焼は、ターボ機械１０からの窒素酸化物などの汚染物質の排出を抑える傾向にある。

一部の軸方向に段階式の噴射またはＬＬＩ構成において、ターボ機械の運転に利用可能な空気のほとんど全てが１つの形態から別の形態で燃焼に利用されており、燃焼器希釈空気の形態で迂回される空気は皆無かほとんどないことが分かっている。これは軸方向に段階式の噴射またはＬＬＩで使用される空気は、そうでなければ所与の量の燃料に対してヘッド端部の性能を高めるのに利用されるはずである空気の一部を燃焼器１２のヘッド端部から失わせることを意味している。したがってターボ機械１０は、捕捉渦流機構（以下に記載される）を備えており、これにより、燃焼に利用できる空気の大部分が燃焼器１２のヘッド端部における予混合機を介して提供され、その後軸方向に段階式の噴射またはＬＬＩのために後に再利用できるようにする。

図２を参照すると、燃焼器１２は、燃焼器ライナ２０と、流れスリーブ２１とを含む。燃焼器ライナ２０は、燃焼の第１段階が行なわれる第１の内部２０１と、第２の内部２０２とを画定するように形成されている。燃焼生成物は、第２の内部２０２を通ってタービン１３に向かって流れる。第１の内部２０１は一般に、軸方向の上流位置に燃焼器１２のヘッド端部に近接して画定され、第２の内部２０２は、第１の内部２０１から流体式かつ軸方向下流に画定される。流れスリーブ２１は、燃焼ライナ２０の周りに配置され第１の環状部２２を画定する。

トランジションピース１４は、燃焼器１２から流体式かつ軸方向下流に配置され、これはトランジションピースライナ３０と、インピンジメントスリーブ３１とを含む。トランジションピースライナ３０は、第３の内部３０１を画定するように形成され、この第３の内部は、第２の内部２０２とタービン１３の内部の間に流体式に挿入される。よって第３の内部３０１は、燃焼器１２の第２の内部２０２から燃焼生成物を受け取り、流路に提供し、この流路に沿ってまたはそこを通り抜けて燃焼生成物がタービン１３へと継続して流れることができる。インピンジメントスリーブ３１は、トランジションピースライナ３０の周りに配置され、第２の環状部３２を画定する。第２の環状部３２は第１の環状部２２と流体式に接続される。インピンジメントスリーブ３１は、インピンジメント穴３１０を画定するように形成される。

明確かつ簡潔にする目的で、以下の記載および特許請求の範囲において、燃焼器ライナ２０およびトランジションピースライナ３０は、別々に呼ばれる場合、あるいは単体ライナとして呼ばれる場合がある。よって単体ライナは、燃焼器ライナ２０とトランジションピースライナ３０の両方の少なくとも一部を含むことが理解されるだろう。

圧縮空気が、圧縮機１１から排気され、圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）に流入する。圧縮空気はＣＤＣの内部から、インピンジメント穴３１０を介して第２の環状部３２に流入する。圧縮空気はその後、第２の環状部３２から第１の環状部２２を通って燃焼器１２のヘッド端部へと流れ、そこで圧縮空気が燃料と混合され燃焼される。

一部のケースでは、第２の環状部３２に流入する圧縮空気の一部は、第３の内部３０１においてトランジションピースライナ３０の冷却剤として使用される場合がある。このようなケースでは、トランジションピースライナ３０は、フラシール３４によってトランジションピースライナ３０に対して密閉されたフランジ３３を含む場合がある。フランジ３３は、圧縮空気の一部を、トランジションピースライナ３０の内側の面に沿って第３の内部３０１に送ることができる冷却路３５を画定するように形成されている。

燃焼器ライナ２０およびトランジションピースライナ３０の少なくとも一方または両方は、燃焼器ライナ２０およびトランジションピースライナ３０の接続部に近接してほぼ環状の凹部４０を画定するように形成される。凹部４０は、第２の内部２０２および／または第３の内部３０１から半径方向外向きに延在する捕捉渦流機構４１として作用する。よって燃焼生成物が主流として第２の内部２０２を通り、その後第３の内部３０１を通って下流に進む際、燃焼生成物の一部が、以下に記載される流れパターン（すなわち第２の捕捉渦流７０）によって凹部４０へと流れ込む。複数の実施形態によると、燃焼生成物の一部は、燃焼器１２のヘッド端部における予混合機を介して供給された空気を含んでおり、これは凹部４０／捕捉渦流機構４１において再利用されることになる。

凹部４０を画定する目的で形成する際に、燃焼器ライナ２０またはトランジションピースライナ３０の少なくとも一方は、第１の軸方向部分４０１、第２の軸方向部分４０２、第３の軸方向部分４０３、第４の半径方向部分４０４および第５の半径方向部分４０５を含んでおり、凹部は、第３の軸方向部分４０３と、第４の半径方向部分４０４と、第５の半径方向部分４０５によって少なくとも部分的に仕切られている。第１の軸方向部分４０１は、第２の軸方向部分４０２から上流に配置されてよい。第１および第２の軸方向部分４０１および４０２は、環状の形状を有することができ、その一方でそれぞれ第１の半径方向の面ＲＰ１を画定しており、この面は、互いにほぼ同じものであり得るが、必ずしもその必要はない。第３の軸方向部分４０３は、環状の形状を有し、第２の半径方向の面ＲＰ２を画定し、この面は、第１の半径方向の面ＲＰ１から所定の距離だけ半径方向外向きに配置されている。第４の半径方向部分４０４および第５の半径方向部分４０５はそれぞれ、ほぼ半径方向に延在することで第１および第２の軸方向部分４０１および４０２を第３の軸方向部分４０３に接続している。すなわち第４の半径方向部分４０４は、第１の軸方向部分４０１と第３の軸方向部分４０３の近位端の間にほぼ半径方向に延在しており、第５の半径方向部分４０５は、第２の軸方向部分４０２と第３の軸方向部分４０３の近位端の間にほぼ半径方向に延在している。

複数の実施形態によると、凹部４０は、ほぼ矩形の断面形状を有することができる。別の実施形態によると、凹部４０の角は（すなわち、第１の軸方向部分４０１と第４の半径方向部分４０４の間の接続部、第４の半径方向部分４０４と第３の軸方向部分４０３の間の接続部、第３の軸方向部分４０３と第５の半径方向部分４０５の間の接続部および第５の半径方向部分４０５と第２の軸方向部分４０２の間の接続部）が丸められることで、流体が滑らかに凹部４０に流れ込み、そこから流れ出るのに役立っている。

ターボ機械１０はさらに、燃料噴射装置５０を含む。燃料噴射装置５０は、燃料または燃料と空気の混合気などの燃焼性物質を凹部４０に送達するように構成されている。そうする際、燃焼性物質が第１の捕捉渦流６０を形成し、その一方で凹部４０に流れ込む燃焼生成物の一部が、第２の捕捉渦流７０を形成する。燃焼性物質は、例えば燃料と、ＣＤＣから抽出された一定量の空気を含むことができる。そういうものとして、燃焼性物質は、一定の圧力Ｐ_CDを有し、これはＣＤＣ内部における圧力とほぼ同じである。

示されるように、第１の捕捉渦流６０を形成する燃焼性物質は、第１の渦流巻き状のパターンで流れる傾向にあり、第２の捕捉渦流７０を形成する燃焼生成物の一部は、第２の渦流巻き状のパターンで流れる傾向にある。第１および第２の渦流巻き状のパターンは、ほぼ反対方向の向きであってよい。よって第１および第２の渦流６０および７０は、互いに隣接しているので、それぞれにおける各々の流体が剪断ライン８０に沿って混ざることで、燃焼生成物の一部の温度と圧力に起因して、燃料噴射装置５０によって凹部４０に噴射される燃焼性物質が、自動的に点火される。自動点火される燃焼性物質を含むそれぞれの流体は、主流へと戻されタービン１３へと流れていく。

自動的に点火され主流に戻る燃焼性物質は、軸方向に段階式の噴射またはＬＬＩ作用に関与する可能性がある。これにより二次燃焼が生じることが可能になり、これには、例えば燃焼器１２のヘッド端部から所与の量の燃料に必要ないずれの空気も奪う必要がなく、汚染物質の排出が抑えられるという観点において関連する利点が伴う。

燃料噴射装置５０は、ベーン５１と、燃料源５２とを含むことができる。ベーン５１は、ＣＤＣから凹部４０に圧縮空気を伝えることができる流路５１０を画定するように形成される。燃料源５２は、可撓性のホース５２０を含むことができ、流路５１０に対する燃料の供給を実現するように構成されている。ベーン５１は、ほぼ半径方向に配向され、第１の環状部２２および／または第２の環状部３２を横切っている。ベーン５１は、円筒形またはそうでなければ航空力学的に形成されることで、第１の環状部２２または第２の環状部３２を通って移動する圧縮空気にできるだけ乱れを生成しないようにすることができる。ベーン５１は、凹部４０に噴射される燃焼性物質を混合し、凹部４０またはベーン５１における保炎の可能性を回避する、あるいは実質的に抑えるマイクロミキサー５１１を含むことができる。

ベーン５１の半径方向の長さの大部分に対して、流路５１０は、ほぼ半径方向に配向される。しかしながら半径方向内向きの場所では、ベーン５１は、流路５１０がターボ機械１０の軸方向の寸法に沿って延びるように構成される場合もある。この方法において、燃料噴射装置５０は、燃焼性物質をほぼ軸方向に凹部４０に噴射することで、第１の捕捉渦流６０の形成を促進させるように構成されている。

別の実施形態によると、第５の半径方向部分４０５が、貫通穴５３を画定するように形成される場合があり、この貫通穴によって圧縮空気が、第２の環状部３２から凹部４０に流れ込むことができる。この方法において、追加の空気が供給されることで、燃料噴射装置５０によって噴射される燃料の燃焼を向上させることができる。さらに貫通穴５３は、第５の半径方向部分４０５を貫通するように画定されるため、この貫通穴は、ほぼ軸方向の向きを有し、これにより貫通穴５３を通って流れる圧縮空気が軸方向に流れることで第１の捕捉渦流６０の形成を促進させる。第３の軸方向部分４０３の下流部分を貫通するように画定される貫通穴５３によって、同様の効果を達成することができることが理解されるであろう。この場合、凹部に流れ込む圧縮空気は、半径方向に流れ、これもまた第１の捕捉渦流６０の形成を促進させる。

本発明を、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に記載してきたが、本発明はこのような開示される実施形態に限定されるものではないことを容易に理解すべきである。むしろ本発明は、これまで記載されていないが、本発明の精神および範囲に見合った任意の数の変形形態、代替形態、代用形態または等価な構成を組み込むように修正することができる。これに加えて、本発明の種々の実施形態を記載してきたが、本発明の態様は、記載される実施形態の一部のみを含むことができるものと理解すべきである。したがって本発明は、前述の記載によって制限されるものと理解すべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。

１０ ターボ機械
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ トランジションピース
２０ 燃焼器ライナ
２０１ 第１の内部
２０２ 第２の内部
２１ 流れスリーブ
２２ 第１の環状部
３０ トランジションピースライナ
３０１ 第３の内部
３１ インピンジメントスリーブ
３１０ インピンジメント穴
３２ 第２の環状部
３３ フランジ
３４ フラシール
３５ 冷却路
４０ 凹部
４０１ 第１の軸方向部分
４０２ 第２の軸方向部分
４０３ 第３の軸方向部分
４０４ 第４の半径方向部分
４０５ 第５の半径方向部分
４１ 捕捉渦流機構
５０ 燃料噴射装置
５１ ベーン
５１０ 流路
５１１ マイクロミキサー
５２ 燃料源
５２０ 可撓性のホース
５３ 貫通穴
６０ 第１の捕捉渦流
７０ 第２の捕捉渦流
８０ 剪断ライン

Claims (20)

1. 燃焼生成物のための流路を画定するように形成された単体のライナであって、
   第１の半径方向の面を画定する第１および第２の部分と、第２の半径方向の面を画定する第３の部分と、前記第１の部分と前記第３の部分の近位端の間にほぼ半径方向に延在する第４の部分と、前記第２の部分と前記第３の部分の近位端の間にほぼ半径方向に延在する第５の部分とを含む単体のライナと、
   前記第３、第４および第５の部分によって部分的に仕切られた空間に燃料または燃料／空気の混合気を送るように構成された燃料噴射装置とを備える、捕捉渦流機構を備えたターボ機械。
2. 前記燃料噴射装置が、前記燃料または前記燃料／空気の混合気をほぼ軸方向に前記空間に送るように構成された、請求項１記載のターボ機械。
3. 前記単体ライナが、燃焼器ライナと、トランジションピースライナとを備え、前記空間が、前記燃焼器ライナと前記トランジションピースライナの接続部に近接して画定された、請求項１記載のターボ機械。
4. 前記空間が環状の形状を有する、請求項１記載のターボ機械。
5. 前記空間がほぼ矩形の断面形状を有する、請求項１記載のターボ機械。
6. 燃焼生成物のための流路を画定するように形成され、燃焼生成物の一部が流れ込む捕捉渦流機構を画定するように形成された単体ライナと、
   前記捕捉渦流機構に燃料または燃料／空気の混合気を送るように構成された燃料噴射装置とを備えるターボ機械。
7. 前記燃料噴射装置が、前記燃料または燃料／空気の混合気をほぼ軸方向に前記捕捉渦流機構に送るように構成された、請求項６記載のターボ機械。
8. 前記単体ライナが、燃焼器ライナと、トランジションピースライナとを備え、前記捕捉渦流機構が、前記燃焼器ライナと前記トランジションピースライナの接続部に近接して画定された、請求項６記載のターボ機械。
9. 前記捕捉渦流機構が環状の形状を有する、請求項６記載のターボ機械。
10. 前記捕捉渦流機構がほぼ矩形の断面形状を有する、請求項６記載のターボ機械。
11. 燃焼が行なわれる第１の内部、および燃焼生成物が中を通る第２の内部を画定する燃焼ライナと、
    前記燃焼ライナから下流に配置され、第３の内部を画定し、前記第３の内部が前記燃焼生成物を受け入れ、その中を前記燃焼生成物が継続して流れるトランジションピースライナとを備えるターボ機械であって、
    前記燃焼ライナおよび前記トランジションピースライナの少なくとも一方が、前記燃焼生成物の一部が流れ込む凹部を画定するように形成され、ターボ機械がさらに、
    前記凹部に燃焼性物質を送るように構成されることで、前記燃焼性物質および前記燃焼生成物の一部がそれぞれ捕捉渦流を形成する燃料噴射装置を備えるターボ機械。
12. 前記燃焼性物質が、燃料または圧縮機吐出ケーシング空気と混合された燃料である、請求項１１記載のターボ機械。
13. 前記燃焼ライナの周りに配置され第１の環状部を画定する流れスリーブと、
    前記トランジションピースライナの周りに配置され第２の環状部を画定するインピンジメントスリーブとをさらに備え、
    前記第２の環状部が、前記第１の環状部に流体式に結合された、請求項１１記載のターボ機械。
14. 前記燃料噴射装置が、
    空気を圧縮機吐出ケーシングから前記凹部に伝える流路を画定するように形成されたベーンと、
    前記流路に対する燃料の供給を実現するように構成された燃料源とを備える、請求項１１記載のターボ機械。
15. 前記ベーンがマイクロミキサーを備える、請求項１４記載のターボ機械。
16. 前記燃料源が可撓性のホースを備える、請求項１４記載のターボ機械。
17. 前記燃料噴射装置が、前記燃焼性物質をほぼ軸方向に前記凹部に送るように構成された、請求項１１記載のターボ機械。
18. 前記凹部が、前記燃焼器ライナと前記トランジションピースライナの接続部に近接して画定された、請求項１１記載のターボ機械。
19. 前記凹部が環状の形状を有する、請求項１１記載のターボ機械。
20. 前記凹部が、ほぼ矩形の断面形状を有する、請求項１１記載のターボ機械。